钪元素对衬板控轧Al–7Mg合金变形组织、力学性能及再结晶行为的影响

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铝合金作为应用最为广泛的轻金属,在航空、航天、汽车以及结构等领域具有广阔的应用前景。其中铝镁合金因优异的比强度和耐腐蚀性能等优点在结构材料的轻量化淋雨有着不可取代的地位。国内外学者对铝镁合金变形领域开展了大量的研究,通过大变形工艺制备具有高强塑性Al–Mg合金。对于高固溶Mg含量Al–Mg合金而言,合金具有更高的加工硬化性能,但其成型性差,只能通过中高温或多流程的变形工艺进行加工,大大限制了铝镁合金力学性能的提升,且加工流程工艺复杂,成本较高。本课题组在前期研究中开发了大压下量衬板控轧(HPR)技术,该技术可以在室温单道次下加工难变形合金,保证板材的成型率,有利于进一步拓展难变形铝镁合金在工业上的应用。基于衬板控轧工艺,本文主要研究了Sc元素添加衬板控轧Al–7Mg–xSc合金在变形过程中组织演变和力学性能的影响规律,以及探讨衬板控轧Al–7Mg–xSc合金在后续退火再结晶行为,得出的主要结论有:(1)通过衬板控轧工艺,在室温条件下成功制备出无开裂的难变形Al–7Mg–xSc合金,相较传统轧制工艺,衬板控轧单道次压下量可达80%,相较传统轧制工艺,简化轧制流程,并且衬板控轧工艺加工的Al–7Mg–xSc合金边缘平整,拓展了难变形合金在工业上的应用。(2)研究了Sc含量对啊衬板控轧变形Al–7Mg–xSc合金的组织演变过程,衬板控轧Al–7Mg–0.6Sc合金为大尺寸晶粒(dcg>100μm)与纳米晶粒(dfg≈200 nm)组成的混晶结构组织,混晶组织因变形过程中Al3Sc纳米析出相钉扎位错,提高局部位错密度,促进位错亚结构演变和局部动态再结晶过程,有利于形成混晶结构组织中的超细晶。(3)基于强化理论简化模型计算研究了Al–7Mg–xSc合金四种强化机制强化值,研究Al–7Mg–xSc合金组织各部分对其屈服强度的影响,并且分析了该合金加工硬化性能,发现Sc元素的添加可以提高合金加工硬化能力,有效改善Al–7Mg合金断裂失效前加工硬化率迅速下降的趋势,其中衬板控轧Al–7Mg–0.6Sc合金具有较优的室温力学性能(最大抗拉强度(UTS)522 MPa,屈服强度(YS)319.8 MPa,延伸率9.6%)。(4)在550℃/3 h固溶处理条件下,Al–7Mg–0.2Sc合金在350℃和400℃退火温度下,再结晶现象发生均先于Al–7Mg合金,但其强塑性在相同状态下均大于Al–7Mg合金,在400℃/5 min退火处理时最大抗拉强度达到375 MPa,断裂延伸率达到47%。(5)在350℃/24 h固溶处理条件下,Al3Sc纳米析出相为1020 nm共格析出相,这种析出相在Al–7Mg基体中均匀分布。300℃/20 min退火处理后组织演变过程主要取决于Al3Sc析出相体积分数,在Al–7Mg–0.2Sc合金中,Al3Sc析出相间距较大,析出相附近亚结构逐步演变为大角度晶界促进再结晶;当Sc含量超过0.4%时,Al3Sc间距小,有效钉扎位错防止亚晶界吸收位错转变为大角度晶界,有效抑制再结晶过程。
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